东亚夏季低层大气环流对东海及其邻近海域海温异常响应的数值试验

利用NCEP/NCAR的再分析资料、全球海温资料(OISST)及区域气候模式(RegCM3)研究了东亚夏季低层(925hPa)大气环流对东海及其邻近海域热力异常的响应.结果表明,夏季,当东海及其邻近海域的海温升高0.5和1.0℃时,在中国东部和东海及其邻近海域上空均会出现一个异常的气旋性环流,而且海温越高,气旋性环流越明显,并在海面上空形成辐合中心;反之,当东海及其邻近海域海温降低时,中国东部和东海及其邻近海域上空将出现一个异常的反气旋性环流,并在海面上空形成辐散中心.东海及其邻近海域夏季海温的异常可通过热力作用影响低层大气的辐合(散)和垂向运动,并影响局地低层大气和上层海洋的相互作用,从而使得东亚大气环流发生改变,进而可能对中国大陆东部气候和近海环境的变化产生重要作用.     

冬季黑潮延伸体区海表面温度异常对山东半岛极端低温的可能影响

利用ERA5再分析资料,分析了山东半岛1979—2014年共36年间冬季极端低温特征,发现山东半岛地区伴随偏北大风的极端低温与黑潮延伸体区域海表面温度(Sea surface temperature, SST)暖异常密切相关,提出了该区域SST暖异常增强局地的气旋,促进山东半岛偏北大风的产生,从而引起降温的可能机制。伴随偏北大风的极端低温日数占山东半岛冬季总极端低温日数的41%,对这些伴随偏北大风的极端低温日进行合成分析,发现极端低温发生时,山东半岛处于一个气旋-反气旋式环流异常的中间位置,导致山东上空北风盛行。黑潮延伸体区域的暖SST异常加强了从海洋向大气释放的热通量,驱动了上升运动,在其上空形成次级环流,有利于异常低压的生成和发展,促进了山东半岛两侧气旋对的发生,从而引起偏北大风,造成极端低温。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度(SST)异常关系的季节性差异,得到如下结论:1)西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移; 2)西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋; 3)夏季异常反气旋环流(WNPAC)的维持主要来自非局地海温异常(北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常)的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

赤道印度洋海温偶极子的气候影响及数值模拟研究

在分析研究印度洋海温变化的基本特征,尤其是在分析赤道印度洋海温偶极子及其影响的基础上,利用IAP9L大气环流模式模拟研究了赤道印度洋海温偶极子异常对亚洲季风区气候变化的影响.其结果表明,印度洋、亚洲南部和东部地区的流场和降水都对印度洋海温异常的强迫作用比较敏感.正位相印度洋偶极子的作用使得赤道东印度洋-印度次大陆南部-阿拉伯海一带出现距平东风,孟加拉湾-中南半岛出现异常反气旋性环流,从而对减少印度南部和中南半岛南部、印度尼西亚地区的夏季降水,以及增加中国南部和东非的夏季降水有十分重要的作用.与此相反,负位相印度洋偶极子的作用将使赤道东印度洋附近出现西风异常,孟加拉湾-中南半岛存在异常气旋性环流,从而使印度次大陆和中南半岛南部、印度尼西亚地区的降水增加,使中国西部和孟加拉湾的降水减少.数值模拟结果与资料分析相互映证,切实地揭示了印度洋海温偶极子对亚洲季风区的气候变化有重要影响.     

前期夏季西太平洋暖池热含量对江南春雨的影响及其可能机理

利用GODAS海洋温度资料、中国753站逐日降水资料以及NCEP/NCAR逐日再分析资料讨论了前期夏季西太平洋暖池热含量异常对江南春雨的影响,并通过高低层环流异常解释了其可能过程和机制。研究结果表明:(1)前期夏季暖池区热含量影响春雨的敏感海区位于9°~16°N,150°~166°E,与春雨强度呈显著反相关,前期夏季关键区热含量的显著偏低是春雨异常偏多的强信号。(2)多雨年和少雨年大气环流差值场与夏季暖池热含量(取反号)回归的次年春季大气环流形态基本一致。低层菲律宾海异常反气旋西北侧的暖湿西南气流输送及江南地区高层辐散抽吸运动是造成春雨偏多的直接原因。(3)关键区热含量在前期夏季的异常偏低使低层异常反气旋在其西北侧触发生成,并在菲律宾海附近持续存在(前夏至当年春季),春季引导强盛的西南气流向江南输送水汽;同时,热含量异常偏低在我国大陆东部激发出高层异常气旋并持续维持(前秋至当年春季),导致春季西风急流轴异常南压,高层形成异常辐散中心,形成强烈的抽吸作用,导致江南春雨显著偏多。前夏热含量显著偏高引起江南春雨偏少的过程则与之相反。     

西太平洋暖池海温异常年夏季东亚大气环流特征

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料对西太平洋暖池区海表水温冷、暖异常年夏季东亚大气环流作了合成分析,与气候平均比较后发现:夏季暖池区暖异常时,在西太平洋上空的对流层低层产生一个强的反气旋偏差环流,因而不利于南海南部和赤道太平洋地区的西风发展,使热带夏季风强度减弱;在南海西部和中南半岛东部有偏差气流转向大陆,因而增强了偏南风,使副热带夏季风强度增强;在对流层中、下层副高脊线位置偏南,大约以400hPa为分界线,低层副高强度增强,高层副高强度减弱。西太平洋暖池冷异常年夏季东亚大气环流特征大致与上述情况相反,且强度或变化幅度小于暖异常年夏季。另外,与气候平均比较,暖异常年纬向Walker环流上升支大幅西移,而冷异常年该环流上升支则东移。     

孟加拉湾局地动力过程的季节变化研究

利用观测资料和理论模型,研究了孟加拉湾海表面高度的季节循环.结果表明,局地风应力旋度驱动的斜压Rossby波是孟加拉湾海表高度季节循环的主要控制因子,而孟加拉湾海底地形分布也影响了海表面高度的季节循环.受风应力旋度驱动的斜压Rossby波在短时间内就可以穿越孟加拉湾海盆,使得海洋温跃层在短时间内完成了对Rossby波的响应,保证了上层海洋满足准静止的Sverdrup平衡.在夏季(冬季)西南(东北)季风驱动下,上层海洋分别在孟加拉湾北部和南部形成气旋(反气旋)式和反气旋(气旋)式环流.     

黑潮冬季海温对我国东北地区夏季降水预测信号的增强

统计分析结果表明,黑潮冬季海温和东北夏季降水的关系有非常明显的年代际变化,表现为从20世纪50-60年代弱的正相关逐步转变为现阶段很强的负相关。尤其是在东北夏季降水异常年份,黑潮海温呈明显的反位相变化,因此可被视为一个非常有效的前兆预测信号。分析了可能的影响机制,即当前期黑潮海温偏低时,海洋热力异常的持续性会导致其夏季低层出现反气旋式风场距平环流,在西太平洋副热带高压(副高)西北侧出现东北风距平及在东北冷涡东南侧出现西南风距平,导致在副高区和东北冷涡区均形成气旋式距平环流系统,从而减弱了副高并增强了东北冷涡。反之,黑潮海温偏高时,其上空气旋式距平环流系统将减弱东北冷涡强度和增强副高强度。这是黑潮海温影响东北夏季降水异常的主要原因。     

长江中下游夏季降水与西北太平洋海温的耦合模态分析

利用NOAA_ERSST海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,借用多种统计方法研究了夏季长江中下游地区降水与西北太平洋的耦合关系.奇异值分解(SVD)和相关分析显示出长江中下游夏季降水与西北太平洋夏季海表温度(以下简称"海温")密切相关,而与其他海区没有明显的关系,并且这种关系主要反映年代际变化;夏季多变量经验正交函数展开(MV-EOF)分析结果证明夏季长江中下游降水、东亚-太平洋地区上空850hPa风场、西北太平洋海温之间存在显著的耦合模态,这种耦合模态反映出长江中下游夏季降水异常偏多时,东亚-太平洋上空自南向北有异常的反气旋、气旋、反气旋波列(即东亚-太平洋型遥相关或P-J波列),东亚夏季风偏弱、北界位置偏南.依赖季节的多变量经验正交函数展开(SRMV-EOF)分析结果表明,长江中下游夏季降水与西北太平洋的耦合模态与前期ENSO密切相关:前一年秋季,赤道东太平洋开始出现ENSO信号,冬季发展成熟,同时在菲律宾以东的西北太平洋上空有一个反气旋形成;春季,ENSO开始减弱,西北太平洋出现暖海温异常,反气旋发展;夏季,ENSO信号消失,西北太平洋异常暖海温范围扩大,反气旋发展很强,同时在东亚-太平洋上空出现P-J波列,华南上空的西南风与来自北方的偏北风在长江中下游地区辐合,造成长江中下游夏季降水偏多.     

太平洋SSTA同中国东部夏季极端降水事件变化关系的研究

基于中国东部1955—2004年233个台站逐日降水和NCEP/NCAR再分析高度场、风场、比湿、地面气压以及NOAA海表温度资料,运用SVD、合成分析等方法研究了太平洋SSTA同中国东部夏季极端降水事件之间的相互关系,结果表明:前期冬季太平洋SSTA同我国东部夏季极端降水事件的关系比较显著;前冬赤道中东太平洋是影响我国华北地区夏季极端降水事件的关键区,若前冬该海域海温发生异常,从冬到夏大气环流先后通过PNA(反PNA)和WP(反WP)遥相关型使得西太平洋副热带高压发生异常,进而使得华北夏季极端降水事件发生异常;前冬热带西太平洋是影响我国东北南部及江南地区夏季极端降水事件的关键区,若前冬该海域海温发生异常,从冬到夏105°~135°E的平均经向垂直环流圈发生异常,使得夏季东北南部与江南地区垂直运动发生异常,进而使得东北南部和江南夏季极端降水事件发生异常。     

北太平洋副热带海洋环流强度异常对长江中下游夏季降水的影响

利用SODA资料和ECCO资料计算得到的北太平洋副热带海洋环流强度,和国家气候中心整编的中国160站逐月降水资料,结合NCEP/NCAR再分析资料和Hadley中心海表面温度资料,分析了1970－2007年海洋环流强度异常同期的大尺度大气环流异常特征及对中国东部夏季降水的影响。结果表明:海洋环流强度变化与长江中下游地区降水存在密切的反相关。环流强度异常可以通过影响西太平洋副热带高压的南北位置异常进而影响长江中下游降水。海洋环流偏弱时,副高位置偏南,长江中下游地区受气旋性环流异常影响,来自副高西北侧的强西南水汽输送至此,在该地区形成强水汽辐合中心,同时伴随上升运动加强和对流的加强,进一步导致该地区降水偏多;当海洋环流偏强时,西太平洋副高位置偏北,长江中下游地区受反气旋性环流异常影响,伴随辐散下沉及水汽辐散,导致该地区降水偏少;海洋环流强度异常导致的中纬度海区海表面温度异常,可能是导致副高南北位置异常的主要原因。     

西太平洋暖池热含量变化与东亚冬季风关系

利用 1955-2003 年 NCEP\NCAR 再分析资料和美国 Scripps 海洋研究所环境数据分析中心 ( JEDAC ) 提供的冬季热含量资料,采用小波分析、相关及合成分析等方法, 分析了西太平洋暖池热含量变化特征及其与东亚冬季风关系.结果表明,西太平洋暖池热含量与东亚冬季风有着非常密切的联系,当西太平洋暖池热含量异常偏高时,对流层低层在菲律宾及以东洋面形成一个异常的气旋性环流,中国大陆上空形成一个异常的反气旋性环流,从而使得东亚冬季风在东南区加强,西北区减弱.     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

2005年7月北极地区大气环流特征的数值研究

利用一个极地中尺度数值模式(Polar MM5)对北极地区大气环流进行了2005年7月17-19日48 h的中尺度数值模拟研究。数值分析表明,2005年7月19日500 hPa高度上,北冰洋上空北极点以东由一个冷低压控制,在极点以西则是一个暖性高压系统,在地面图上对应的则是一个气旋性环流和反气旋性环流;整个极区呈现出高(反气旋)-低(气旋)-低(气旋)-高(反气旋)的波动分布型态。选择了5个北极地区探空站与相应温度场和风场的数值模拟结果进行了对比;气象变量统计分析和垂直分布表明了数值模式很好地再现了观测大气特征,表现为小的模式偏差和较高的相关系数。在Barrow站2 m处空气温度,感热通量和潜热通量具有明显的日变化特征,PolarMM5还有效地反映出此处极地逆温层和下降风的垂直结构特征。     

印度洋海温异常对西北太平洋台风的影响及机制研究

基于近40 a NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场、涡度场、垂直速度场以及NOAA重构的海面温度(sea surface temperature,SST)资料和美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)热带气旋最佳路径资料,利用合成分析方法,研究了前期春季及同期夏季印度洋海面温度同夏季西北太平洋台风活动的关系。结果表明:1)前期春季印度洋海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)尤其是关键区位于赤道偏北印度洋和西南印度洋地区对西北太平洋台风活动具有显著的影响,春季印度洋海温异常偏暖年,后期夏季,110°～180°E的经向垂直环流表现为异常下沉气流,对应风场的低层低频风辐散、高层辐合的形势,这种环流形势使得低层水汽无法向上输送,对流层中层水汽异常偏少,纬向风垂直切变偏大,从而夏季西北太平洋台风频数偏少、强度偏弱,而异常偏冷年份则正好相反。2)春季印度洋异常暖年,西北太平洋副热带高压加强、西伸;而春季印度洋异常冷年,后期夏季西北太平洋副热带高压减弱、东退,这可能是引起夏季西北太平洋台风变化的另一原因。     

北冰洋纬向温度梯度对中国东北地区夏季降水影响的分析

利用1979—2011年NCEP提供的2m气温场、位势高度场、风场、GPCP降水以及HadISST资料,对北冰洋纬向温度梯度对中国东北地区夏季降水影响进行了分析。分析得出:纬向温度梯度高年东北地区呈现降水负异常,7、8月份最为显著,几乎涵盖整个东北区域。其原因是北冰洋纬向温度梯度与500hPa位势高度梯度之间存在正相关,巴伦支海和东西伯利亚海上空位势高度差变大,贝加尔湖区域地面上东部和南部较易出现异常反气旋。1月份海面风异常通过Ekman输送影响北冰洋纬向温度梯度,进而影响中国东部地区降水。     

南海夏季风异常及其对南海与周边地区的大气和海洋要素的影响

通过对南海夏季风异常年夏季南海及周边地区主要海-气要素场的对比分析,得到以下主要结论:强、弱季风年夏季南海及周边地区的主要海-气要素都表现出明显的差异。强季风年夏季南海中南部地区低层西风加强、高层东风加强,以南海北部为中心存在气旋性距平环流,上升运动增强。相应地,南海及我国东南沿海地区对流和降水增强,而长江中下游地区降水偏少。弱季风年则表现出与强季风年几近相反的分布特征。此外,强季风年西太平洋副热带高压较弱季风年位置明显偏东、强度明显偏弱。与对流和降水的分布相对应,强、弱季风年夏季南海及周边地区大气热源状态的分布也表现出明显的差异,差别最显著的区域正是在南海及周边地区。在强季风年,西起孟加拉湾东至菲律宾以东的洋面上为较明显的热源增强区,而弱季风年则为明显的热源减弱区。此外,强、弱季风年,南海海域的海面高度、海洋环流、海表温度等表征海洋状况的要素分布也明显不同,分布形势几近相反。海温作为重要的外源强迫,不仅对季风环流的形成有重要作用,而且明显受到季风异常的影响,进而对局地的天气气候产生重要的滞后影响。     

2011年春夏长江中下游旱涝急转特征及原因分析

利用NCEP再分析资料,分析了影响2011年春夏季长江南部中下游地区发生旱涝急转的异常大气环流特征及影响因素。发现:长江南部中下游地区旱涝急转发生与西北太平洋副热带高压的变化有密切关系。副热带高压由弱到强的变化为降水提供了水汽条件,高空急流的变化则为降水提供了上升运动条件。进一步分析表明,西太平洋副热带高压西伸加强的原因与副热带高压加强前一候时间内孟加拉湾地区的异常对流加强有密切的关系。急流的变化则与陆地气温的季节变化和中纬度西太平洋强经向海表面温度(SST)梯度异常存在密切的联系。本文的研究表明:2011春夏季长江中下游地区旱涝急转现象的发生,是局地大气环流变化,南北半球大气相互影响以及海洋对大气环流影响的共同作用造成。     

春季西北太平洋热带气旋与海温场和大气环流的关系

本文利用1951～1987年286个网格点太平洋月平均海温场及500hPa月平均位势高度场,分析了春季西北太平洋（不含南海）热带气旋与海温场和大气环流的关系。结果表明:前期太平洋海温场与春季热带气旋生成数有显著的相关,并以前一年夏季和前期冬季更为明显。影响春季热带气旋生成的太平洋海温场主要有两个关键区,一个位于赤道东太平洋,为负相关:一个位于北太平洋中部,为正相关。文中还从海温对大气环流影响的角度出发,分析了春季热带气旋活动特多年与特少年前期及同期500hPa大气环流的特征及两者之间的差异。最后利用逐步回归方法作了春季西北太平洋热带气旋长期趋势预报。     

夏季欧亚中高纬持续流型的年代际变化

利用夏季欧亚中高纬大气环流持续流型指数的年代际变化来反映欧亚中高纬大气环流的多年振动,尝试揭示夏季欧亚中高纬持续流型的年代际变化与我国降水、全球海温以及北大西洋涛动(NAO)的年代际变化之间的联系,主要结论如下:(1)1959—2000年夏季欧亚中高纬流型指数有明显的年代际变化,1980年前后流型指数均值发生了年代际突变;(2)夏季欧亚中高纬流型指数的年代际变化特征与我国夏季降水、6月全球海表温度距平的年代际变化趋势具有一致性,印证了SSTA与夏季欧亚中高纬持续流型、持续流型与我国夏季降水之间的关联;(3)冬季NAO指数和夏季流型指数在年代际尺度上关系甚为密切,它们的年际相关也存在着年代际变化;(4)合成分析表明,NAO高指数及E型过程对应的春季SSTA分布形势极为相似,且突变前后与E、C型环流对应的海温异常的分布特征和关键区,在中期-月及年代际不同时间尺度上也表现出了一致性,印证了下垫面强迫在夏季欧亚中高纬持续流型的形成和维持中的作用。